柔性可调谐分束器及其制备方法与流程

本发明涉及光学元件制备技术领域，特别是涉及一种柔性可调谐分束器及其制备方法。

背景技术：

在传统光学器件中，对光波的操纵是通过光线在给定折射率的介质中传播来实现的，振幅、相位和偏振的变化是通过在介质中传播而累积的，相关光学元器件笨重且不易集成。现代化工业小型化集成化的目标促进了微纳光学的诞生与发展。近年来，超表面的蓬勃发展提供了一种克服上述限制的方法。超表面是一种超薄的人造材料，由亚波长尺寸的微纳结构阵列构成。研究表明，亚波长尺寸下，光会和微纳结构作用产生表面等离子激元共振现象，共振波长处伴随一个位相突变。通过调控微纳单元结构的几何形状与参数，透射或者反射光的光学响应可以被精确的操控，在指定波长处产生特殊的位相突变，起到偏折、汇聚、分离光束的目的，为光学位相的操控的研究打开了新的大门。但是，在一般情况下，构成超表面的纳米结构一旦被制备出来，便只具备单一的功能，缺乏主动控制的灵活性，极大程度上限制了其在实践中的使用。未来的集成光电子器件需要更多可调控、轻巧且易于集成的光学器件，如何将超表面与可调谐的智能材料相结合，从而创造能够对电磁波进行高效、实时、灵活主动调制的光电元器件一直以来都是各国科学家研究的热点问题。

然而，现有制备分束器的技术，需要繁琐的制备过程才能得到，并且需要耗费相当大的技术资源，财力，以及时间成本。这在很大程度上制约了分束器的市场推广和应用。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题是根据上述现有技术的缺陷，提供一种具有优良分束性能，低功耗低成本，且易于生产的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器及其制备方法。

为了解决上述的技术问题，本发明实施例提供的技术方案如下：。

本发明的一种柔性可调谐分束器，包括结构单元阵列，所述结构单元包括：柔性透明基底；透明电极，设置于基底上；电致变色层，设置于透明电极上；金属功能层，包括周期化的纳米柱或纳米棒阵列结构。

较优的，所述柔性透明基底的材质包括：聚对苯二甲酸类塑料(pet)、聚二甲基硅氧烷(pdms)以及聚酰亚胺(pi)中的任意一种或两种以上的组合；所述柔性透明基底的的厚度为2μm～125μm。

较优的，所述透明底电极的材质包括：氧化铟锡(ito)、氧化锌(zno)、银丝墨、单层石墨烯中的任意一种或两种以上的组合；所述透明底电极的厚度为130nm～160nm。

较优的，所述电致变色层的材质为聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)；所述电致变色层的厚度为2μm。

较优的，所述金属功能层的材质包括：金，银或两者的组合；所述金属功能层的厚度为120nm～150nm。

较优的，所述纳米柱或纳米棒阵列结构包括：周期性交替排列的有限个直径相同的圆柱体和尺寸相同且有预设旋转角度的的长方体；所述圆柱体和长方体的排列规则符合广义斯聂耳定律，并且嵌于所述电致变色层当中。

较优的，所述纳米柱或纳米棒阵列结构包括交替排列的有限个第一阵列和有限个第二阵列；每一个所述第一阵列由有限个直径相同的圆柱体沿两根以上平行线排布形成；每一个所述第二阵列由有限个尺寸相同且有一定旋转角度的长方体沿两根以上平行线排布形成，且每一个所述第一阵列与每一个所述第二阵列相互平行。

较优的，所述纳米柱或纳米棒阵列结构中圆柱体的直径不大于所述结构单元的周期；所述有预设旋转角度的长方体的长度与宽度均小于所述结构单元的周期。

较优的，每个所述结构单元的周期为230nm～270nm。

较优的，所述圆柱体的直径为100nm～140nm；所述长方体的长度为160nm～200nm，宽度为60nm～100nm，中心旋转角度为10～30°；所述圆柱体和/或所述长方体的高度为120nm～150nm。

较优的，还包括电解质层，所述电解质层覆设于所述电致变色层上。

较优的，所述电解质层的材质为聚丙烯酸酯，厚度为40μm～60μm。

较优的，所述柔性可调谐分束器还包括离子储存层，所述离子储存层覆设于所述电解质层上。

较优的，所述离子储存层的材质为氟化锂，厚度为1μm～2μm。

较优的，所述柔性可调谐分束器还包括透明顶电极，所述透明顶电极覆设于所述离子储存层上。

较优的，所述透明顶电极的材质包括：氧化铟锡(ito)，氧化锌(zno)，银丝墨，单层石墨烯中的任意一种或两种以上的组合；所述透明底电极的厚度为130nm～160nm。

较优的，所述柔性可调谐分束器还包括柔性透明顶层基底，所述柔性透明顶层基底覆设于所述透明顶电极上。

较优的，所述柔性透明顶部基底的材质包括：聚对苯二甲酸类塑料(pet)，聚二甲基硅氧烷(pdms)，聚酰亚胺(pi)中的任意一种或两种以上的组合；所述柔性透明基底的的厚度为2μm～125μm。

较优的，所述柔性可调谐分束器对应的工作波段为可见光波段。

本发明还公开了一种对柔性可调谐分束器的制备方法，包括：在柔性透明基底上设置透明底电极；在所述柔性透明基底上设置金属功能层，并在所述金属功能层中加工形成周期化的纳米柱或纳米棒阵列结构以形成金属超表面；在所述透明电极上设置电致变色层，并包覆金属纳米结构的侧面和顶面；在所述电致变色层上设置电解质层；在所述电解质层上设置离子储存层；在所述离子储存层上设置透明顶电极和柔性透明顶部基底。

较优的，所述在柔性透明基底上设置透明底电极包括：通过光学镀膜在柔性透明基底上形成所述透明底电极；或，通过磁控溅射镀膜在所述柔性透明基底上形成所述透明底电极层。

较优的，所述在所述柔性透明基底上设置金属功能层包括：通过电子束蒸发镀膜在所述透明底电极上形成所述金属功能层。

较优的，所述在所述金属功能层中加工形成周期化的纳米柱或纳米棒阵列结构包括：在所述金属功能层上形成图案化的光刻胶掩模；采用离子束刻蚀技术对金属功能层进行刻蚀，从而加工出所述的周期化的纳米柱或纳米棒阵列结构以形成金属超表面。

较优的，所述在所述透明电极上设置电致变色层包括：在所述金属超表面上旋涂均匀覆盖所述金属超表面结构并与透明电极相接触的电致变色层；在80°温度下烘烤60分钟使所述电致变色层固化。

较优的，所述在所述电致变色层上设置电解质层包括：在所述电致变色层固化后，通过印刷或刮涂形成所述电解质层。

较优的，所述在所述电解质层上设置离子储存层包括：在电解质层上通过印刷或刮涂形成所述离子储存层。

较优的，在执行在所述离子储存层上设置透明顶电极和柔性透明顶部基底后，还包括：将镀有透明电极的柔性透明基底至于所述离子储存上，将透明电极与离子储存层相贴合，形成所述柔性可调谐分束器。

本发明的一种柔性可调谐分束器及其制备方法，具有如下优点：

1)本发明提供的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器具有优良的分束性能，本发明的可调谐分束器具有优良的电调控性能，在该结构上加载电压，当调节电压使得电致变色材料的折射率为1.47时，该分束器处于“开”状态，显示良好的分束性能，能够将正常入射的可见光分离成两束出射光，当调节电压使得电致变色材料的折射率为2.06时，该分束器处于“关”状态，不再显示分束性能，而是将正常入射的可见光按照其原始路径进行透射。这意味着只需对器件加载少许电压便能时时动态的切换器件的功能。取得了意想不到的技术效果；

2)本发明提供的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器结构简单合理，与纯电致变色材料或者超表面的元器件不同，我们的器件是利用了电致变色材料折射率，即介电常数能够被电压调控的性质；我们的器件在理论和实验上更容易实现(无需在电致变色材料上面做结构)，超薄轻便易集成，低功耗低成本，相对易于制作，制备方法与现有的半导体制作工艺完全兼容；克服了现有技术需要繁琐的制备过程才能得到分束器的缺陷；同时更具备电压调控的可操作性。

3)本发明的制备方法原料来源广、制备简易，相比现有技术财力、时间成本更低；并且性能优异，在光学通信系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的结构单元中的圆柱体的立体结构示意图；

图3是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的结构单元中的长方体的立体结构示意图；

图4是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的结构主视图；

图5是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的结构单元中的圆柱体的结构主视图；

图6是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的结构单元中的长方体的结构主视图；

图7是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的结构俯视图；

图8是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的结构单元中的圆柱体的结构俯视图；

图9是本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的结构单元中的长方体的结构俯视图；

图10为本发明实施例1中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的电致变色材料在可见光波段的透过率曲线，其利用紫外分光光度计测量得到，图中灰色曲线为电致变色材料在透明状态下的透射率，黑色曲线为其在着色状态下的透射率。

图11为本发明实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的电致变色材料在可见光波段的折射率曲线，使用essentialmacleod软件，根据图10中所示的材料透射率曲线，利用包络插值法计算得到，图中灰色圆圈曲线为电致变色材料在透明状态下的折射率，黑色三角曲线为其在着色状态下的折射率；

图12为本发明实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，在不同的电致变色材料状态下，透射光的透射相位随金属纳米柱的直径变化曲线图；

图13为本发明实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，在不同的电致变色材料状态下，透射光的透射振幅随金属纳米柱的直径变化曲线图；

图14为本发明实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，在不同的电致变色材料状态下，透射光的透射相位随金属纳米棒的旋转角度变化曲线图；

图15为本发明实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，在不同的电致变色材料状态下，透射光的透射振幅随金属纳米棒的旋转角度变化曲线图；

图16为本发明实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料处于透明态时，金属纳米柱/纳米棒超表面的表面散射光的ey电场强度分布图，虚线定义波前；

图17为本发明实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料处于透明态时，金属纳米柱/纳米棒超表面的表面散射光的ey电场强度分布图；

图18为本实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料处于透明态时，即该可调谐分束器处于“开”状态时，透射光的归一化电场能量分布效果图；

图19为本实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料处于着色态时，即该可调谐分束器处于“关”状态时，透射光的归一化电场能量分布效果图；

图20为本发明实施例中波长为632.8纳米的单一平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料分别处于着色态(虚线)和透明态(实线)时，透射光束远场辐射的x-z切割能量分布曲线。

附图标记说明：1-柔性透明上基底；2-透明顶电极；3-离子储存层；4-电解质层；5-电致变色层；6-金属功能层；7-透明底电极；8-柔性透明下基底。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

实施例1

本发明实施例的一个方面提供的一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器，其包括结构单元阵列，并且其中的每个结构单元包括：

柔性透明基底，厚度为2μm～125μm；

透明底电极，其设置在柔性透明基底上，厚度为50nm～150nm；

金属功能层，其设置在透明底电极上，并包括周期化的纳米柱/纳米棒阵列结构，厚度为120nm～150nm；

电致变色层，其设置在透明电极，并包覆金属纳米结构的侧面和顶面，厚度为2μm；

电解质层，其设置在电致变色层上，为离子的输运提供通道，厚度为40～60μm；

离子储存层，离子储存层电解质层上，储存所需离子，厚度为1～2μm；

透明顶电极和柔性透明顶部基底，其设置在离子储存层上。

在具体实施中，所述柔性透明基底的材质包括聚对苯二甲酸类塑料(pet)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺(pi)中的任意一种或两种以上的组合。

在具体实施中，透明底电极的材质包括氧化铟锡(ito)、氧化锌(zno)、银丝墨、单层石墨烯中的任意一种或两种以上的组合。

在具体实施中，所述电致变色层的材质为聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)。

在具体实施中，所述金属功能层的材质为金、银等易于激发表面等离子体激元的材料。

在具体实施中，所述纳米柱/纳米棒阵列结构中圆柱体的直径不大于所述结构单元的周期，所述有一定旋转角度的长方体的长度与宽度均小于所述结构单元的周期。

在具体实施中，每个结构单元的周期是250nm，单元与单元之间紧密连接，距离为零；但是每个结构单元包含中间的金纳米柱和金纳米棒以及其上下层的多层膜结构，其中，多层膜结构为长和宽都为250nm的正方形，彼此间没有间隔，相互连接，而顶层的金纳米柱和金纳米棒均在结构单元正中心，其中，纳米柱之间的距离与结构单元周期和自身直径有关，距离为结构单元周期减去纳米柱的直径(d＝p-d)。纳米棒之间的距离与结构单元周期和自身长度与旋转角度有关，距离为结构单元周期减去纳米棒的长度与其旋转角的余弦值的乘积(d＝p-l*cos(θ))。纳米柱与纳米棒之间的相隔距离为单元周期减去长方体对角线与圆柱体直径的差的二分之一(d＝(p-(w2+l2)1/2)/2。

在具体实施中，所述电致变色层为聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)薄膜，在交替的高低或正负外电场的作用下，通过注入或抽取电荷(离子或电子)，改变电致变色材料的折射率，即改变其介电常数。

在具体实施中，所述透明电极/金属/电致变色材料混合结构中，电致变色材料放置于透明电极上方，并覆盖金属纳米结构的上表面和侧面，当对器件加载负向(-2.3v)电压时，储存在离子储存层中的离子将通过电解质层通道向电致变色层方向进行输运，并注入到电致变色层中，此时，电致变色材料会与离子发生化学反应，成着色态，折射率为2.06；当对器件加载正向(1.5v)电压时，电致变色材料中的离子将被抽取，通过电解质层通道向电致变色层方向进行输运，并回到离子储存层中，此时，电致变色材料会也会发生相应化学反应，成透明态，折射率为1.47。由此，当电致变色材料注入或抽取电荷(离子或电子)使其折射率发生改变(即介电常数改变)时，入射光进入金属结构激发表面等离子体，产生共振。此时电致变色起到调制共振特性的作用。电致变色介电常数随着电压的变化而改变，导致共振的频率改变，从而改变振幅和相位。最终起到“开关”效应。

在具体实施中，所述电解质层的材质为聚丙烯酸酯，所述电解质层的厚度为40～60μm。

在具体实施中，所述离子储存层的材质为氟化锂，所述离子储存层的厚度为1～2μm。

在具体实施中，所述透明顶电极覆设于所述离子储存层上，材质为氧化铟锡(ito)，厚度为130nm～160nm。

在具体实施中，所述柔性透明顶层基底的材质包括聚对苯二甲酸类塑料(pet)，厚度为2μm～125μm。

本发明中，所述金属功能层的材料为金、银或铝等易于激发表面等离子体激元的材料。由于金的制作工艺较为成熟，而且性能稳定，不易被腐蚀氧化，器件寿命长久。因此优选为金，厚度为120nm～150nm。

在一些情况下，所述纳米柱/纳米棒阵列结构包括周期性交替排列的有限个直径相同的柱体和尺寸相同且有一定旋转角度的的长方体，并且所述有限个圆柱体和有限个长方体的排列规则符合广义斯聂耳定律，并且嵌于电致变色层当中。进一步地，所述周期化的纳米柱/纳米棒阵列结构包括交替排列的有限个第一阵列和有限个第二阵列，每一第一阵列由有限个直径相同的圆柱体沿两根以上平行线排布形成，每一第二阵列由有限个尺寸相同且有一定旋转角度的长方体沿两根以上平行线排布形成，而且每一第一阵列与每一第二阵列相互平行。

在具体实施中，所述纳米柱阵列结构中直径相对较大的柱体的直径可小于或等于所述结构单元的周期、长方体的变长必须小于所述结构单元的周期。亦即，所述刻蚀在金属功能层中的纳米结构尺寸必须小于单元周期。

在具体实施中，所述纳米柱/纳米棒阵列结构包括以“aabb”形式周期性交替排列的圆柱体与长方体。

所述刻蚀在金属功能层中的纳米柱/纳米棒阵列结构的由根据广义斯聂耳定律设计的圆柱体与长方体交替排列构成。针对不同波长，改变圆柱体直径以及长方体的变长，可获得良好的分束功能，所述圆柱体的直径为100nm～140nm，长方体的长度为160nm～200nm、宽度为60～100nm、中心旋转角度为10～30°，所述圆柱体和/或长方体的高度为120nm～150nm。

在上述的具体实施中，所述圆柱体的直径为130nm～136nm，所述长方体的长度为175nm～185nm、宽度为75～85nm、中心旋转角度为15～25°。

在具体实施中，所述基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器中，每个结构单元的周期为230nm～270nm。这组优化参数，可以使结构达到可调节性最好，分束性能较好的优点。

本发明实施例中，周期化排列的纳米柱/纳米棒阵列结构刻蚀在金属功能层中，在刻蚀的过程中需要保证狭缝刻穿金属层，且不能损伤设置在金属功能层下方的透明电极层。

在具体实施中，所述基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器结构参数对应的工作波段为可见光波段，所述工作波段可根据结构参数的选取进行调制。

电致变色是指在交替的高低或正负外电场的作用下，通过注入或抽取电荷(离子或电子)，改变电致变色材料的反射率、吸收率从而在低透射率的着色状态和高透射率的消色状态之间产生可逆变化的特殊现象，在外观性能上则表现为颜色及透度的可逆变化。具有反应速度快、连续可调谐、低功耗以及开路记忆特性等优良性质。在本发明中，根据电致变色材料的透射率参数，利用包络插值法计算出了该材料在可见光波段的折射率曲线，发现当电致变色材料发生变色特性时，其折射率也随之改变，即其介电性质发生变化。众所周知，当纳米结构周围环境的介电性质发生变化时，其共振频率将发生迁移。利用该特性，本发明实施例将超表面结构与电致变色材料相结合设计了基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器。从而使本发明实施例的柔性可调谐分束器具有如下特点：

1)与纯电致变色材料结构的元器件不同，本发明实施例的柔性可调谐分束器利用其折射率能够被电压调控的性质，并与由金属纳米结构组成的超表面相结合，对入射可见光进行实时动态调控；

2)我们的器件在理论和实验上更容易实现(无需在电致变色材料上面做结构)，同时更具备电压调控的可操作性。

综上所述，本发明提供的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器具有优良的电调控性能，在该结构上加载电压，当调节电压使得电致变色层的折射率为1.47时，该分束器处于“开”状态，显示良好的分束性能，能够将正常入射的可见光分离成两束出射光，当调节电压使得电致变色材料的折射率为2.06时，该分束器处于“关”状态，不再显示分束性能，而是将正常入射的近红外光按照其原始路径进行透射。这意味着只需对器件加载少许电压便能时时动态的切换器件的功能。取得了意想不到的技术效果；同时，本发明提供的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器结构简单合理，超薄轻便易集成，低功耗低成本，相对易于制作，制备方法与现有的半导体制作工艺完全兼容；克服了现有技术需要繁琐的制备过程才能得到可调谐分束器的缺陷。

实施例2

本发明的另一个实施例提供了前述基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的制备方法，其包括：

步骤s101，在所述柔性透明基底上设置透明底电极。

在具体实施中，采用光学镀膜技术在柔性透明基底上形成所述透明底电极；和/或，采用磁控溅射镀膜技术在所述柔性透明基底上形成所述透明底电极层。

步骤s102，在所述透明底电极上设置金属功能层，并在所述金属功能层中加工形成周期化的纳米柱/纳米棒阵列结构。

在具体实施中，采用电子束蒸发镀膜技术在所述透明底电极上形成所述金属功能层。

在具体实施中，在所述金属功能层上涂覆光刻胶，并采用电子束曝光技术刻出周期性纳米柱/纳米棒阵列光刻胶结构，之后采用离子束刻蚀技术对金属功能层进行刻蚀，使其图案化，去除余留于所述金属功能层上的光刻胶，从而加工出所述的周期化的纳米柱/纳米棒阵列结构。

步骤s103，在所述透明电极上设置电致变色层，并包覆金属纳米结构的侧面和顶面。

在具体实施中，在加工好的金属超表面上旋涂电致变色层，使其均匀覆盖超表面结构并与透明电极相接触，80°温度下烘烤60分钟使其固化。

步骤s104，在所述电致变色层上设置电解质层。

在具体实施中，在固化后的电致变色层上利用印刷(刮涂)技术形成所述电解质层。

步骤s105，在所述电解质层上设置离子储存层。

在具体实施中，在电解质层上利用印刷(刮涂)技术形成所述离子储存层。

步骤s106，在所述离子储存层上设置透明顶电极和柔性透明顶部基底。

在具体实施中，在步骤s106后还可包括步骤s107，将镀有透明电极的柔性透明基底至于所述离子储存上，将透明电极与离子储存层相贴合，形成可调谐分束器。

在更为具体的实施方案中，所述制备方法还可以包括：

首先，使用光学镀膜技术在柔性透明基底上形成所述透明底电极，采用电子束蒸发镀膜技术在所述透明底电极上形成所述金属功能层，然后在金属功能层上面涂敷一层光刻胶，利用电子束曝光技术刻出纳米柱/纳米棒呈“aabb”交替排列的阵列光刻胶结构，再使用离子束刻蚀工艺对功能金属层进行刻蚀，使其图案化，接着去除残余光刻胶得到金属超表面结构，之后在加工好的金属超表面上旋涂电致变色层，使其均匀覆盖超表面结构并与透明电极相接触，80°温度下烘烤60分钟使其固化，再在固化后的电致变色层上利用印刷(刮涂)技术形成所述电解质层，再在电解质层上利用印刷(刮涂)技术形成所述离子储存层，最后将镀有透明电极的柔性透明基底至于所述离子储存上，将透明电极与离子储存层相贴合，形成基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器。

在具体实施中，在使用光学镀膜技术在柔性透明基底上形成所述透明底电极之后，再采用电子束蒸发镀膜技术在所述透明底电极上形成金属功能层，最后直接采用聚焦离子束刻蚀工艺得到金属超表面结构，之后在加工好的金属超表面上旋涂电致变色层，使其均匀覆盖超表面结构并与透明电极相接触，80°温度下烘烤60分钟使其固化，再在固化后的电致变色层上利用印刷(刮涂)技术形成所述电解质层，再在电解质层上利用印刷(刮涂)技术形成所述离子储存层，最后将镀有透明电极的柔性透明基底至于所述离子储存上，将透明电极与离子储存层相贴合，形成基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器。

其中，在上述技术方案中，采用电子束直接曝光并显影，用离子束刻蚀技术刻蚀光刻胶，利用丙酮去除残余光刻胶。

综上所述，本发明的制备方法原料来源广、制备简易，相比现有技术财力、时间成本更低；并且性能优异，在光学通信系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。

实施例3

本发明实施例提供了前述基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器于制备光学通信系统、纳米光子器件或集成光学系统中的应用。

以下结合附图及更为具体的实施例对本发明的技术方案作进一步清楚、完整的解释说明。

参见图1所示，本实施例中一种基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器包括直径经过设计的金纳米柱以及金纳米棒按照“aabb”的方式交替排列形成的金纳米柱/纳米棒阵列结构6，电致变色层5，电解质层4，离子储存层3，透明顶/底电极2/7，柔性透明上/下基底1/8。一束沿x-方向偏振的可见光(632.8nm)从器件底部正下方垂直入射到基于超表面-致变色材料的柔性可调谐分束器，当调节电压使得电致变色层的折射率为1.47时，该分束器处于“开”状态，显示良好的分束性能，能够将正常入射的可见光分离成两束出射光，当调节电压使得电致变色材料的折射率为2.06时，该分束器处于“关”状态，不再显示分束性能，而是将正常入射的近红外光按照其原始路径进行透射。在该过程中，出射光的频率和极化方向都不发生改变，即为基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器。

参见图2，构成本实施例的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的单元圆柱体结构立体示意图；包括金纳米柱6，电致变色层5，电解质层4，离子储存层3，透明顶/底电极2/7，柔性透明上/下基底1/8。一束沿x-方向偏振的可见光(632.8nm)从器件底部正下方垂直入射到基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的单元结构上面，当其他参数固定不变时，透射光的相位和振幅会随金纳米柱的直径的变化而变化，但光的频率和极化方向都不发生改变，即为基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的单元结构。

参见图3，构成本实施例的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的单元长方体结构立体示意图；包括金纳米棒6，电致变色层5，电解质层4，离子储存层3，透明顶/底电极2/7，柔性透明上/下基底1/8。一束沿x-方向偏振的可见光(632.8nm)从器件底部正下方垂直入射到基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的单元结构上面，当其他参数固定不变时，透射光的相位和振幅会随金纳米棒旋转角度的变化而变化，但光的频率和极化方向都不发生改变，即为基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的单元结构。

参见图4和图5以及图6，构成本实施例的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的主视图和单元结构主视图。其中，柔性透明基底由聚对苯二甲酸类塑料(pet)构成，厚度为2μm～125μm。透明底/顶电极由氧化铟锡(ito)构成，高度为h4＝50nm～150nm。金纳米柱和金纳米棒高度h2＝120nm～150nm，电致变色层由连续的聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)薄膜构成，高度为h3＝1～2μm，电解质层由聚丙烯酸酯构成，高度为h4＝40μm～50μm，离子储存层由氟化锂构成，高度为h5＝1～2μm。

参见图7，为本实施例的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的俯视图。所述刻蚀在金属功能层中的纳米柱/纳米棒阵列结构的由根据广义斯涅耳定律设计的圆柱体与具有一定旋转角度的长方体以“aabb”的形式交替排列构成。圆柱体的直径为130nm～136nm，长方体的长度为175nm～185nm、宽度为75～85nm、中心旋转角度为15～25°。

参见图8和9，为构成本实施例的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的单元结构俯视图。纳米柱与纳米棒单元结构的周期均为p＝230nm～270nm；纳米柱的直径为d＝130nm～136nm，纳米棒的长度为175nm～185nm、宽度为75～85nm、中心旋转角度为15～25°。首先，使用光学镀膜技术在柔性透明基底上形成透明底电极，再采用电子束蒸发镀膜技术在所述透明底电极上形成金属功能层，最后直接采用聚焦离子束刻蚀工艺得到金属超表面结构，之后在加工好的金属超表面上旋涂电致变色层，使其均匀覆盖超表面结构并与透明电极相接触，80°温度下烘烤60分钟使其固化，再在固化后的电致变色层上利用印刷(刮涂)技术形成所述电解质层，再在电解质层上利用印刷(刮涂)技术形成所述离子储存层，最后将镀有透明电极的柔性透明基底至于所述离子储存上，将透明电极与离子储存层相贴合，形成基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器。

上述基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器的制作方法，包括如下步骤：

(1)对柔性透明基底材料进行清洗去除表面的脏点和油污从而使基底表面具有较好的清洁度以及粘附力；

(2)利用光学镀膜技术在基底上根据工作波长的范围镀连续的氧化铟锡薄膜从而制备得到透明底电极；

(3)再采用电子束蒸发镀膜技术在所述透明底电极上形成金属功能层。

(4)利用旋涂法在金属功能层上涂布上一层光刻胶(pmma)；

(5)利用电子束曝光光刻技术对光刻胶进行曝光，之后用显影液进行显影，获得纳米柱/纳米棒呈“aabb”交替排列的光刻胶阵列结构；

(6)使用离子束刻蚀工艺以光刻胶阵列结构为掩膜对金属功能层进行刻蚀，使其图案化；

(7)将刻蚀过的样品放入盛有丙酮的烧杯中，超声去除残余光刻胶得到金属超表面结构。

(8)在金属超表面结构上旋涂旋涂电致变色层，使其均匀覆盖超表面结构并与透明电极相接触，80°温度下烘烤60分钟使其固化。

(9)在固化后的电致变色层上利用印刷(刮涂)技术形成所述电解质层。

(10)在电解质层上利用印刷(刮涂)技术形成所述离子储存层。

(11)将镀有透明电极的柔性透明基底至于所述离子储存上，将透明电极与离子储存层相贴合，形成基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器。

图10为使用紫外分光光度计测量得到的不同电压下电致变色材料的透射率曲线图，其利用紫外分光光度计测量得到，图中灰色曲线为电致变色材料在透明状态下的透射率，黑色曲线为其在着色状态下的透射率。

图11为根据使用紫外分光光度计测量得到的不同电压下电致变色材料的透射率以及包络插值法，利用essentialmacleod软件计算得到电致变色材料在不同电压下的折射率曲线图。图中灰色圆圈曲线为电致变色材料在透明状态下的折射率，黑色三角曲线为其在着色状态下的折射率。

图12至图15为波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，在不同的电致变色材料状态下，透射光变化的示意图。利用fdtdsolution(canada)软件来模拟计算光场的相位和振幅的曲线图，选用3d模式搭建结构，在水平方向上设置周期性边界条件。在垂直方向由于多种介质存在，边界条件利用完美匹配层，模拟光源为平面波设置在基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器底部正下方，波长为632.8nm。针对632.8纳米的结构优化和性能分析，当λ0＝632.8nm时：p＝250nm，h1＝100nm，h2＝150nm，h3＝2μm，h4＝80μm，h5＝2μm，h6＝100nm，l＝180nm，w＝80nm。x方向极化的平面波垂直入射至金纳米柱单元下表面，改变金纳米柱的直径同时对透射相位和振幅进行扫描。如图12以及图13所示，当电致变色材料处于透明态时，随金纳米柱直径的变化，光透射相位和振幅均发生梯度变化，而当电致变色材料处于着色态时，随金纳米柱直径的变化，光透射相位和振幅均发生振荡变化；如图12以及图13所示，改变金纳米棒的旋转角度同时对透射相位和振幅进行扫描，当电致变色材料处于透明态时，随金纳米棒的旋转角度的变化，光透射相位和振幅均发生振荡变化，当电致变色材料处于着色态时，随金纳米棒的旋转角度的变化，光透射相位发生跳变，而振幅均发生梯度变化。

在这种情况下，通过改变圆柱体直径以及长方体的旋转角度可以获得超过180°的相位差。通过所示的相位响应曲线，在电致变色材料处于透明态时，当圆柱直径为132nm且长方体的旋转角度为20°时，反射相位分别等于147°和-33°。这两种单位单元之间的相位差近似等于180°。而且，具有180°相位差的两种单位单元可以用来构建1位阵列以实现分束器的功能。单位元胞的分布遵循广义斯涅尔定律，两列“147°”单位元胞和两列“-33°”单位元胞以“aabb”的排布方式交替分布，可以形成性能良好的分束器。此时，从图12及图14方块曲线可以看出，当电致变色材料处于着色态时，当圆柱体直径为132nm且长方体旋转角度为20°时，透射相位分别等于-148°和-60°，无法形成180°的相位差，此时，若将金纳米柱同样按照“aabb”的方式排列，将不会产生分束效应，而是将正常入射的可见光按照其原始路径进行镜面反射。光的频率和极化方向都不发生改变。因此，将直径为132nm的圆柱体和旋转角度为20°的金纳米棒按“aabb”的排列方式覆盖在透明电极上，再将电致变色层覆盖在超表面结构上，再依次将电解质层、离子储存层、顶电极和上层基底覆盖在电致变色材料上，通过加载电压调节电致变色材料使其处于透明态时，器件具有分束功能，而调节电致变色材料使其处于着色态时，器件具有透射功能，从而获得了性能良好的可调谐分束器。另一个需要考虑的重要因素是金纳米柱和金纳米棒的单元的透射振幅，其透射振幅需要比较接近，才能形成较好的分束性能。图13和图15中的曲线显示了改变金纳米柱直径和金纳米棒旋转角度时的透射振幅响应，对于1位设计(圆柱体直径＝132nm，长方体旋转角度＝20°)，当电致变色材料处于透明态时，透射振幅均接近0.2，说明可以形成良好的分束特性。

图16为本发明实施例1中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料处于透明态时，金属纳米柱/纳米棒超表面的表面散射光的ey电场强度分布图，虚线定义波前。从电场强度的分布可以看出，不同金纳米柱和金纳米棒对透射光的相位和振幅进行调制，通过将经过设计的金纳米柱和金纳米棒以“aabb”的形式阵列化排布，可以使透射光获得特殊的发射角度，图中的模拟结果为：透射平面波的透射角均为39.3°，符合广义斯涅尔定义。

图17为本发明实施例1中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料处于着色态时，金属纳米柱/纳米棒超表面的表面散射光的ey电场强度分布图，从电场强度的分布可以看出，金纳米柱和金纳米棒的组合对透射光的相位几乎没有调制的能力，通过将金纳米柱与金纳米棒以“aabb”的形式阵列化排布，可以使透射光获得特殊的发射角度，图中的模拟结果为：将正常入射的可见光按照其原始路径进行透射。光的频率和极化方向都不发生改变。此时出射光为一束平面波。

图18为本实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料处于透明态时，即该可调谐分束器处于“开”状态时，透射光的归一化电场能量分布效果图。从二维远场辐射图中可以看到入射单一平面光经基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器后，显示了良好的分束性能，清楚地形成了两个明确定义的光束，透射平面波的反射角均为39.3°，符合广义斯涅尔定义，表明介质超表面对单一频率、单一极化方向的可见光的分束功能。

图19为本实施例中波长为632.8纳米的单一x方向偏振平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料处于着色态时，即该可调谐分束器处于“关”状态时，透射光的归一化电场能量分布效果图。从二维远场辐射图中可以看到入射单一平面光经基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器后，没有显示分束性能，而是将正常入射的可见光按照其原始路径进行透射。光的频率和极化方向都不发生改变。

图20为本发明实施例1中波长为632.8纳米的单一平面光由基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器正下方垂直入射时，当电致变色材料分别处于着色态(虚线)和透明态(实线)时，透射光束远场辐射的x-z切割能量分布曲线。

通过上述实施例可以发现，本发明的基于超表面-电致变色材料的柔性可调谐分束器可根据结构参数进行调制工作波段。本发明的可调谐分束器具有优良的电调控性能，在该结构上加载电压，当调节电压使得电致变色层处于透明态时，其折射率为1.47，此时，该分束器处于“开”状态，显示良好的分束性能，能够将正常入射的可见光分离成两束出射光，当调节电压使得电致变色层为着色态时，其折射率为2.06，此时，该分束器处于“关”状态，不再显示分束性能，而是将正常入射的近红外光按照其原始路径进行透射，并具有结构简单、灵活调控、超薄轻便易集成、低功耗低成本、相对易于制作的特点，在光学通信系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中具有很大的应用价值。

以上所述，仅是本发明的一具体实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理下所作出的改进，应视为属于本发明的保护范围。应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。